ExamensPhysique-Chimie · 3ème année collège (3APIC)

Examen régional2024 · Session normaleFès-MeknèsGratuit

Examen Régional — Session Normale 2024 — Fès-Meknès — Physique-Chimie (3AC / 3APIC)

1Sujet

Situation 1 : Mécanique

Partie 1 — Étude du mouvement d'une cargaison larguée sous parachute

Un hélicoptère largue une cargaison suspendue à un parachute. Après l'ouverture du parachute, un dispositif enregistre les positions successives de la cargaison à intervalles de temps égaux T = 2 s. Sur l'enregistrement (document 2), chaque division de longueur correspond à une distance réelle de 20 m. L'enregistrement montre une trajectoire rectiligne, et fait apparaître deux phases de mouvement : une première phase où les distances parcourues pendant des durées égales diminuent, puis une seconde phase où les distances parcourues pendant des durées égales sont constantes.

On donne : durée totale de la descente après ouverture du parachute correspondant à 9 intervalles T ; hauteur totale de chute correspondant à 12 divisions de l'enregistrement ; vitesse maximale d'impact au sol sans dommage pour la cargaison : Vmax = 11 m/s.

a) Préciser le référentiel d'étude et donner sa nature (fixe/en mouvement par rapport au sol). b) Préciser la nature du mouvement de l'hélice de l'hélicoptère (avant le largage) et celle du mouvement de la cargaison. c) Préciser la nature de la trajectoire de la cargaison.
1. Calculer la hauteur totale H parcourue par la cargaison entre l'ouverture du parachute et le sol.
2. Calculer la durée totale Δt de cette chute.
3. En observant l'enregistrement, identifier la nature du mouvement pendant chacune des deux phases (justifier).
4. Sachant que la phase 1 correspond à 7 divisions de distance parcourues en 4 intervalles T, et que la phase 2 correspond à 5 divisions de distance parcourues en 5 intervalles T, compléter un tableau donnant, pour chaque phase, la distance parcourue, la durée et la vitesse moyenne.
5. Parmi plusieurs expressions proposées pour la vitesse moyenne sur l'ensemble de la chute, choisir celle qui est correcte.
6. Calculer la vitesse moyenne Vm de la cargaison sur l'ensemble de la chute et conclure, en comparant à Vmax, si la cargaison arrive au sol endommagée ou non.

Partie 2 — Étude des forces s'exerçant sur la cargaison posée au sol

La cargaison, de masse m = 100 kg, est posée en équilibre sur le sol horizontal. On donne g = 10 N/kg.

a) Une étiquette sur la cargaison indique « 100 kg » : préciser s'il s'agit de la masse ou du poids de la cargaison, et donner l'unité de la grandeur poids dans le Système International.
La cargaison est en équilibre sous l'action de deux forces : son poids P⃗ et la réaction R⃗ du sol.
1. Pour chacune de ces deux forces, préciser le mode d'action (action à distance ou action de contact) et le mode de répartition (localisée ou répartie).
2. Déterminer les caractéristiques (point d'application, direction, sens, valeur) du poids P⃗, puis, en utilisant la condition d'équilibre, déterminer les caractéristiques de la réaction R⃗ du sol.
3. Représenter les vecteurs P⃗ et R⃗ à une échelle donnée sur la copie.

Situation 2 : Électricité

Partie 1

Dire si chacune des affirmations suivantes est vraie ou fausse, en justifiant : a) Un résistor caractérise l'opposition d'un dipôle au passage du courant électrique. b) L'unité de la résistance dans le Système International est le watt. c) L'énergie électrique consommée par un chauffe-eau s'exprime par la relation E = I × R² × Δt. d) Un radiateur électrique (résistor pur) convertit la totalité de l'énergie électrique reçue en énergie thermique.
Un résistor de résistance R = 50 Ω est soumis à une tension U = 10 V. Calculer l'intensité I du courant qui le traverse (en mA).

Partie 2 — Étude d'une friteuse électrique

La plaque signalétique d'une friteuse indique : 900 W — 220 V. Elle fonctionne pendant une durée Δt = 2 h, branchée sur le secteur domestique de tension U = 220 V protégé par un disjoncteur limitant l'intensité à Imax = 15 A.

Préciser la signification des indications « 900 W » et « 220 V ».
Calculer l'intensité I du courant traversant la friteuse en fonctionnement normal.
Calculer l'énergie électrique E consommée par la friteuse pendant les 2 h de fonctionnement, en Wh puis en kJ.
Préciser la forme d'énergie en laquelle se transforme principalement l'énergie électrique consommée par la friteuse.
La friteuse (900 W) fonctionne en même temps que deux autres appareils, de puissances respectives 1800 W et 1200 W, sur la même installation. Déterminer, par le calcul, si les trois appareils peuvent fonctionner simultanément sans faire disjoncter l'installation.

Partie 2 (suite) — Situation-problème

Un solide de masse m = 1 kg (g = 10 N/kg) est étudié dans deux configurations : suspendu à un fil, puis posé sur un plan horizontal.

Calculer le poids P du solide. En déduire, dans chaque configuration, la valeur de la force exercée par le support (tension T du fil, puis réaction normale R du plan) sachant que le solide est en équilibre sous l'action de deux forces.
Comparer, pour les deux configurations, la direction, le sens et la valeur de la force exercée par le support, et préciser la différence de mode de répartition (contact localisé pour le fil, contact réparti pour le plan).
Un élève, Rihab, affirme que l'écart éventuel entre les deux situations ne provient pas d'une différence de poids mais uniquement de la nature du contact (ponctuel pour le fil, étendu pour le plan). Discuter la validité de cette hypothèse.

2Correction

Situation 1 : Mécanique

Partie 1

1) a) Référentiel d'étude : le sol (référentiel terrestre), considéré comme fixe. b) Avant le largage, le mouvement de l'hélice de l'hélicoptère est un mouvement de rotation ; le mouvement de la cargaison larguée est un mouvement de translation. c) La trajectoire de la cargaison est rectiligne (une droite verticale).

2.1) Hauteur totale : H = 12 divisions × 20 m = 240 m

2.2) Durée totale : Δt = 9 × T = 9 × 2 s = 18 s

2.3) Phase 1 : les distances parcourues pendant des durées égales diminuent → mouvement rectiligne décéléré (retardé). Phase 2 : les distances parcourues pendant des durées égales sont égales → mouvement rectiligne uniforme.

2.4) Tableau :

Phase	Distance parcourue	Durée	Vitesse moyenne
Phase 1 (décélérée)	d₁ = 7 × 20 m = 140 m	Δt₁ = 4 × 2 s = 8 s	V₁ = 140/8 = 17,5 m/s
Phase 2 (uniforme)	d₂ = 5 × 20 m = 100 m	Δt₂ = 5 × 2 s = 10 s	V₂ = 100/10 = 10 m/s

(Vérification : d₁ + d₂ = 140 + 100 = 240 m = H, et Δt₁ + Δt₂ = 8 + 10 = 18 s = Δt : les deux méthodes de calcul sont cohérentes.)

2.5) L'expression correcte de la vitesse moyenne sur l'ensemble du trajet est : Vm = (d₁ + d₂) / (Δt₁ + Δt₂) (et non une simple moyenne arithmétique des vitesses V₁ et V₂, qui ne tiendrait pas compte des durées différentes de chaque phase).

2.6) Vitesse moyenne sur l'ensemble de la chute : Vm = H / Δt = (d₁ + d₂)/(Δt₁ + Δt₂) = 240/18 ≈ 13,3 m/s

Comparaison : Vm ≈ 13,3 m/s > Vmax = 11 m/s. Conclusion : la cargaison heurte le sol avec une vitesse supérieure à la vitesse maximale admissible ; elle arrive donc endommagée.

Partie 2

1) a) L'indication « 100 kg » correspond à la masse m de la cargaison (grandeur mesurée avec une balance, exprimée en kg) et non à son poids (le poids P se mesure en newtons avec un dynamomètre).

2.1) Poids P⃗ : action à distance, répartie sur l'ensemble du volume de la cargaison (l'attraction terrestre agit sur chaque élément de matière ; on la représente conventionnellement par un vecteur unique appliqué au centre de gravité G). Réaction du sol R⃗ : action de contact, répartie sur la surface de contact entre la cargaison et le sol.

2.2) Caractéristiques du poids P⃗ :

Point d'application : centre de gravité G de la cargaison
Direction : verticale
Sens : vers le bas
Valeur : P = m × g = 100 kg × 10 N/kg = 1000 N

La cargaison étant en équilibre sous l'action de deux forces P⃗ et R⃗, la condition d'équilibre impose que ces deux forces aient : même droite d'action, même valeur, et des sens opposés. D'où, pour la réaction R⃗ du sol :

Point d'application : au niveau de la surface de contact avec le sol
Direction : verticale
Sens : vers le haut
Valeur : R = P = 1000 N

2.3) Représentation : les deux vecteurs P⃗ et R⃗ sont tracés sur la même droite d'action verticale passant par G, de même longueur (puisque R = P), P⃗ orienté vers le bas et R⃗ vers le haut, à l'échelle indiquée sur la copie de l'élève.

Situation 2 : Électricité

Partie 1

1) a) VRAI — le résistor est précisément le dipôle qui caractérise l'opposition au passage du courant (sa résistance R, en ohms). b) FAUX — l'unité de la résistance dans le Système International est l'ohm (Ω), et non le watt (qui est l'unité de puissance). c) FAUX — l'énergie électrique dissipée par effet Joule dans un résistor s'exprime par E = R × I² × Δt (ou de façon équivalente E = U × I × Δt), et non E = I × R² × Δt. d) VRAI — un résistor pur (comme la résistance chauffante d'un radiateur) convertit intégralement l'énergie électrique qu'il reçoit en énergie thermique (effet Joule), sans autre forme d'énergie utile.

2) Loi d'Ohm : U = R × I, donc I = U / R = 10 V / 50 Ω = 0,2 A = 200 mA.

Partie 2 — Friteuse électrique

1) « 900 W » est la puissance électrique nominale de la friteuse (puissance qu'elle consomme en fonctionnement normal). « 220 V » est la tension électrique nominale sous laquelle elle doit être alimentée.

2) P = U × I, donc I = P / U = 900 / 220 ≈ 4,09 A.

3) Énergie consommée : E = P × Δt = 900 W × 2 h = 1800 Wh Conversion en kilojoules : 1 Wh = 3600 J = 3,6 kJ, donc E = 1800 × 3,6 = 6480 kJ

4) L'énergie électrique consommée par la friteuse se transforme principalement en énergie thermique (chaleur, par effet Joule dans la résistance chauffante).

5) Puissance totale demandée si les trois appareils fonctionnent en même temps : Pt = Pfriteuse + P₂ + P₃ = 900 W + 1800 W + 1200 W = 3900 W

Puissance maximale admissible par l'installation : Pmax = U × Imax = 220 V × 15 A = 3300 W

Comparaison : Pt (3900 W) > Pmax (3300 W). Conclusion : les trois appareils ne peuvent pas fonctionner simultanément, car la puissance totale demandée dépasserait la puissance maximale supportée par l'installation (le disjoncteur couperait le circuit).

(Note de vérification : dans le corrigé original consulté, ce calcul apparaissait sous la forme « 90 W + 1800 W + 1200 W = 3900 W », ce qui est arithmétiquement incohérent — 90+1800+1200 = 3090 ≠ 3900. Comme la friteuse a été établie plus haut à 900 W, et que 900+1800+1200 = 3900 correspond exactement au total annoncé et à la conclusion retenue, il s'agit manifestement d'une coquille — « 90 W » pour « 900 W ». Le calcul est corrigé en conséquence ci-dessus.)

Situation-problème

1) Poids du solide : P = m × g = 1 kg × 10 N/kg = 10 N.

Suspendu à un fil : le solide est en équilibre sous l'action de deux forces, le poids P⃗ et la tension T⃗ du fil ; donc T = P = 10 N.
Posé sur le plan horizontal : le solide est en équilibre sous l'action de deux forces, le poids P⃗ et la réaction normale R⃗ du plan ; donc R = P = 10 N.

2) Dans les deux configurations, la force exercée par le support (T⃗ ou R⃗) a : même direction (verticale), même sens (vers le haut), et même valeur (10 N). La différence entre les deux situations concerne uniquement le mode de répartition du contact : le fil exerce une action de contact localisée (en un point), tandis que le plan exerce une action de contact répartie sur toute la surface de contact avec le solide.

3) L'hypothèse de Rihab est correcte : le poids du solide (10 N) est le même dans les deux cas, puisque la masse et g n'ont pas changé. Ce qui diffère entre les deux situations n'est donc pas la valeur des forces (T = R = 10 N dans les deux cas) mais uniquement la nature géométrique du contact support/solide (ponctuel pour le fil, étendu pour le plan horizontal).